谈谈ROS的通信机制

本文首先简单的介绍ROS是什么和核心概念，然后主要介绍ROS的通信机制。

1、ROS是什么

ROS（机器人操作系统，Robot Operating System），是专为机器人软件开发所设计出来的一套电脑操作系统架构。它是一个开源的元级操作系统（后操作系统），提供类似于操作系统的服务，包括硬件抽象描述、底层驱动程序管理、共用功能的执行、程序间消息传递、程序发行包管理，它也提供一些工具和库用于获取、建立、编写和执行多机融合的程序。

ROS21讲——ROS的构成

ROS的以下特性使得我们可以使用ROS高效、便捷地搭建出机器人原型机：

ROS采用了一种松耦合分布式的通信框架机制
ROS提供了丰富的功能包和测试、仿真等工具
ROS使用广泛，文档丰富

ROS中的Gazebo仿真工具

2、ROS核心概念

下面我们来看一下ROS最核心的概念：节点（Node）和节点管理器（ROS Master）。

每个节点是一个执行具体某项任务的、独立运行的可执行文件（例如采集图像节点、图像处理节点），节点名称不可重复。不同的节点甚至可以使用不同的编程语言，以及运行在不同的主机上。

ROS启动于节点管理器，管理器用于管理ROS中的不同节点，为节点提供命名和注册服务，辅助不同节点之间相互查找和通信，如下图所示。通过这种方式，我们就不必指定“发送传感器数据到IP为127.0.0.1的主机”，只需要告诉Node1发送消息到Node2，十分便捷。节点管理器还提供了参数服务器，节点使用该服务器存储和检索运行时的参数。

3、通信机制

那么节点之间是如何通信的呢？主要有话题通信和服务通信两种方式，我们以下图为例详细介绍。

（1）话题通信

此时我们有一台搭载了相机的机器人，我们希望机器人能够获取并处理相机采集的图像数据，同时可以在笔记本上看到这些图像。因此，我们定义了三个节点：相机节点（Camera Node）、图像处理节点（Image Processing Node）和图像显示节点（Image Display Node）。所有的节点都注册在节点管理器（ROS Master）中，管理器可以视为一个查询表，各个节点能查到消息要发送到其他的哪个节点。

ROS Master中注册了三个节点

完成注册后，Camera Node声明它发布（Publish）了一个叫做/image_data的话题（Topic）。Image Processing Node和Image Display Node声明它们订阅（Subscribe）了这个Topic。话题中数据为Message，具有一定类型和数据结构（ROS中提供了标准数据类型，用户也可自己定义），当Camera Node接收到相机发动的数据后，就立即将数据发送到另外两个节点上。

相机节点发布了数据，图像采集节点和图像显示节点订阅了数据

可以看出以下几点：

话题通信是一种异步通信，即数据的传输是单向的，只出不进。
同一个话题的订阅者或发布者可以不唯一。

（2）服务通信

话题通信的数据传输是单向的，订阅端（Image Processing Node）被动接收发布端（Camera Node）的数据？这时候有人就问了，如果Image Processing Node想主动接收数据怎么办。ROS中提供了另一种通信方式：服务通信。服务通信由请求方（Client）和应答方（Server）组成。

Camera Node可以在ROS Master上注册一个特定的服务（Service）。客户端（Camera Node）发动请求数据，请求方（Image Processing Node）发送一个request，等待应答方（Camera Node）处理后，反馈回一个reply。

以上就是ROS的通信机制。